民国以前，今万柏林区分属太原府阳曲、太原两县管辖。“万柏林”因阎锡山准备在此种植柏树林而得名。
1997年5月8日，国务院（国函〔1997〕33号）批复同意调整太原市市辖区行政区划，新设立的万柏林区辖原河西区的万柏林、和平、千峰、兴华、下元、杜儿坪、南寒、白家庄、大虎沟、开城里、官地11个街道，原北郊区的西铭、化客头、王封、小井峪、东社（不含小东流、大东流、西流3个村）5个乡，区人民政府驻西矿街。
1998年末，万柏林区面积304.8平方千米，其中建成区面积43.1平方千米；人口41万人，其中非农业人口34万人，农业人口7万人；辖11个街道、5个乡，261个居委会、70个村委会，97个自然村。
2000年第五次人口普查，万柏林区常住总人口556931人，其中，千峰街道47795人，下元街道109678人，和乎街道70695人，兴华街道23150人，万柏林街道35237人，杜儿坪街道25789人，白家庄街道20763人，南寒街道51932人，开城里街道7862人，官地街道18391人，大虎沟街道16582人，小井峪乡86272人，西铭乡19381人，东社乡11089人，王封乡6734人，化客头乡5581人。
2001年，撤销东社乡、化客头乡，设立东社街道、化客头街道。调整后，万柏林区辖13个街道、3个乡：和平街道、千峰街道、兴华街道、下元街道、万柏林街道、杜儿坪街道、开城里街道、南寒街道、白家庄街道、大虎沟街道、官地街道、东社街道、化客头；小井峪乡、王封乡、西铭乡。
2007年，万柏林区撤销小井峪、西铭2个乡和大虎沟、官地、开城里3个街道，设立小井峪、西铭、长风西街、神堂沟4个街道，并对其他街道办事处行政区域范围进行适当调整（晋政函〔2007〕45号）。调整后，万柏林区辖千峰、下元、小井峪、和平、万柏林、兴华、南寒、白家庄、杜儿坪、西铭、东社、化客头、长风西街、神堂沟14个街道和王封乡。
2007年，设立朝北街社区居委会（万政〔2007〕106号）、鸿峰社区居委会（万政〔2007〕107号）、和泽苑社区居委会（万政〔2007〕108号）。
2008年，设立小井峪、下元、大井峪3个社区居委会（万政〔2008〕30号）；设立大王、后王2个社区居委会（万政〔2008〕31号）；设立新庄社区居委会（万政〔2008〕32号）；设立彭村社区居委会（万政〔2008〕33号）；设立南社社区居委会（万政〔2008〕70号）。
2010年第六次人口普查，万柏林区常住总人口749255人，其中，千峰街道58727人，下元街道89485人，和平街道86169人，兴华街道71096人，万柏林街道49506人，杜儿坪街道28470人，白家庄街道30685人，南寒街道88576人，东社街道25427人，化客头街道12462人，小井峪街道86215人，西铭街道19628人，长风西街街道82649人，神堂沟街道17964人，王封乡2196人。
2015年末，万柏林区辖14个街道、1个乡（合计15个），95个居委会、62个村委会（合计157个）。